基于模型認知的深度教學實踐

摘要： 基于深度學習理論，以書寫和調控陌生化學反應為學習主題，通過建構各種平衡與化學反應關系的認知模型，使書寫陌生反應變得“有理可循”；通過應用模型解決實際問題，使調控反應變得“有理可控”；通過作業反饋，檢驗深度學習的效果。培養學生的高階思維，促進變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知核心素養的發展。

關鍵詞： 平衡思想; 模型認知; 深度教學; 書寫和調控陌生化學反應; 高三復習

文章編號： 1005-6629（2024）06-0051-07 中圖分類號： G633．8 文獻標識碼： B

化學的特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質［1］。化學符號作為宏觀物質和微觀世界的抽象表達方式，是化學家進行化學思維的工具［2］，也是學生進行化學學習的工具。陌生化學反應的方程式的書寫、分析與調控等是高考的重點內容，突出考查學生的宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知等素養水平。

查閱有關陌生化學反應的方程式的文獻，多數是從配平策略進行研究，較少挖掘“平衡與化學反應”之間的聯系，忽視了平衡對化學反應的指導作用，使學生的學習停留在淺層學習、機械學習，阻礙了學生高階思維的發展；較少創設真實問題情境，忽視了陌生反應的方程式的調控價值，無法激發學生的思維、情感、價值觀的全面參與。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》建議教師在組織教學時應有目的、有計劃地進行“認識思路”和“核心觀念”的結構化設計，逐步提升學生的化學知識結構化水平，發展化學學科核心素養［3］。已有研究表明，深度學習是促進學生核心素養發展的有效途徑。深度教學強調在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，從宏微結合、變化守恒的視角，運用證據推理與模型認知等深度學習的思維方式，解決綜合復雜的問題，獲得結構化的化學核心知識，建立運用化學學科思想解決問題的思路方法，培養創新精神和實踐能力［4］。

1 教學主題的確定

基于以上分析，筆者在高三一輪復習“氮及其化合物”專題時，引導學生建構平衡與化學反應關系的認知模型，使書寫陌生化學反應的方程式變得“有理可循”；選定去除廢水中的氨態氮為挑戰性任務，引導學生設計去除方案，表征并調控陌生反應，使調控反應變得“有理可控”。積極開展建構學習與問題解決學習，促進學生學習方式的轉變。

2 教學目標

（1） 通過課前書寫陌生化學反應的方程式，診斷書寫角度與書寫水平；通過評價與討論，診斷預測及分析陌生反應的角度與思路，建構平衡與化學反應關系的認知模型。

（2） 通過課堂設計去除廢水中氨態氮的方案，激發學生主動應用平衡與化學反應關系的認知模型，對陌生反應進行預測、分析、調控，建構真實情境中調控復雜變化的思路。

（3） 通過課后分析“鎂基儲氫材料MgH2制H2”的原理和效果，診斷學生應用模型表征陌生化學反應的水平以及分析、解決實際問題的能力。

（4） 通過表征陌生化學反應，體會“宏觀與微觀”“定性與定量”“量變與質變”“物質的變化是有條件的”等化學學科思想方法，感悟反應原理對物質轉化的指導作用與重要價值。

3 教學過程

3.1 課前診斷

選取2019年北京高考試題中的一問，要求學生寫出Ag2SO3溶于氨水的離子方程式，滿分為2分。將學生作答情況分類后，由學生作為課堂評價的主體，展現出對平衡與化學反應關系的認知水平，見表1。

3.2 引導學生建構平衡與化學反應關系的認知模型

通過分析，發現學生對分解、化合、配位平衡的關注不足，還沒有形成系統的結構化認知，在陌生情境中利用平衡思想預測、書寫陌生化學反應的方程式的能力較弱。教師引導學生通過討論、交流，建構各類平衡與化學反應關系的認知模型（見圖1）。

通過建構模型，引導學生拋棄死記硬背、胡編亂造、題海戰術等書寫方程式的錯誤想法，體會到化學方程式的書寫是“有理可循”的。

3.3 應用認知模型解決實際問題

應用模型才能彰顯建構模型的價值。化學的魅力不僅可以實現物質的轉化，而且可利用化學知識調控轉化。調控反應可激發學生從“解題”到“解決實際問題”，有利于學生在理解的基礎上，把握知識之間的有機聯系，做出決策［5］；學生的思維、情感、價值觀等全面參與，有助于深度學習的發生和高階思維的培養。基于此，筆者以去除廢水中的氨態氮為真實情境，讓學生在活動中主動應用認知模型解決實際問題。教學流程見表2。

教學主要片段闡釋如下。

環節1：設計方案、拓寬思路

［任務1］廢水中氨態氮多以NH+4、 NH3·H2O和NH3的形式存在，廢水脫氮是主要污染物減排和水體富營養化防治的研究熱點。請提出脫氮的思路。

［生1］將-3價的氮氧化為0價的對環境無污染的氮氣。

［生2］利用NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的平衡，改變條件，使平衡逆

向移動，使氮元素脫離水體。

［任務2］如果利用平衡的角度脫氮，請提出具體的方法。

［生1］加堿法或加熱法，均可使平衡逆向移動，使水體中的氮元素減少。

［生2］廢水量大，直接加熱會消耗大量的熱能。可將加熱法和加堿法聯合使用。

［提供資料］對某氨氮廢水進行微波加熱，pH對氨態氮脫除的影響如表3所示。

［生］通過對比、分析，加熱法和加堿法聯合使用效果較好。該方法雖然可使氨態氮濃度降低，但廢水中仍有氨態氮剩余，應進一步去除。

［提供資料］展示必修2教材中的海水提溴工藝流程圖。

［任務3］分析提溴的工藝，設計廢水脫氮的方案。

［生］流程中利用廉價的空氣將生成的溴從大量海水中“吹出”，可使溴得到很

大程度的富集。脫氮的方案可設計為：加堿-微熱-吹出-吸收。

［師］能用沉淀法降低水中的氨氮量嗎？

［生］不能，因為常見的銨鹽均為可溶或易溶于水。

［任務4］向氨氮廢水中投入MgCl2和Na2HPO4，可生成MgNH4PO4·6H2O沉

淀，可將氨態氮含量降至10mg·L-1以下。寫出該反應的離子方程式。

［生］Mg2++NH3·H2O+HPO2-4+5H2OMgNH4PO4·6H2O↓

環節2：分析原理、改進方案

［任務5］若16℃時，向廢水中加入MgCl2和Na2HPO4，使鎂、氮、磷物質的

量之比為1∶1∶1。預測沉淀過程中pH對剩余的氨態氮濃度有何影響？說明理由。

［生1］體系中存在NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的動態平衡，增大pH，c（OH-）

增大，平衡逆向移動，c（NH+4）減少，生成沉淀的量也減小。

［生2］體系中還存在①水解平衡：HPO2-4+H2OH2PO-4+OH-，②電離平衡：HPO2-4H++PO3-4，增大pH，c（OH-）增大，水解平衡逆向移動，電離平衡正向移動，c（PO3-4）增大，生成沉淀的量也增大。

［生3］Mg2++2OH-Mg（OH）2，增大pH，c（OH-）增大，可能促進沉淀反應的發生，與生成MgNH4PO4·6H2O沉淀的反應形成競爭關系。

［任務6］結合實驗數據探尋調控方案，并結合反應原理解釋方案。

［提供資料］展示實驗數據圖，見圖2。

［生1］由圖2可知，欲使剩余氨態氮濃度低于10mg·L-1，pH的適宜范圍是8～10。

［生2］若pH偏大，c（OH-）大，抑制NH3·H2O的電離，促進Mg（OH）2沉淀的形成，使NH+4和Mg2+濃度均偏低；若pH偏小，c（H+）大，抑制HPO2-4電離（同時促進HPO2-4水解），使PO3-4濃度偏低。因此pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4·6H2O的生成。

［總結］經過學生的討論、展示、交流，教師引導學生在理解的基礎上，將知識結構化、認識思路結構化，見圖3。

［任務7］總結在真實情境中調控變化的思維路徑。

［師生］建構思維路徑，見圖4。

4 設計課后作業，檢驗學習效果

筆者以“鎂基儲氫材料MgH2制H2”為素材，在課后作業中開展深度學習效果的評價，題目和評價標準見表4，評價結果及學生優秀分析樣例見表5。

5 教學效果與反思

5.1 教學效果

本課例引導學生通過深度參與，讓學生積極、主動地學習；通過深度理解，開展遷移學習。課前作業和課堂評價為不同認識水平的學生提供了展示的平臺，教師鼓勵學生自評、互評，激發了學生積極的內在動機。學生在評價中發現個體知識結構化的差異，主動建構平衡與化學反應關系的認知模型，領悟到陌生反應的書寫不是“胡猜瞎蒙”的，而是“有理可循”的。在應用模型解決廢水脫氮的挑戰性任務中，學生的知識遷移從被動、無序、滯留狀態逐漸轉變成主動、有序和順暢；學生的認知從不能用沉淀反應脫氮，發展到建構形成MgNH4PO4·6H2O沉淀的結構化模型，學生驚喜地發現變化之間的“互促關系”與“競爭關系”，感悟到利用方程式的表征變化具有直觀形象的作用，而建構多個方程式的結構化模型對解釋、分析和調控復雜變化具有清晰的導引價值，使調控復雜變化“有理可控”。從而發現知識結構化的價值，進一步激發了學生的學習熱情。許多學生在作業中分析“鎂基儲氫材料MgH2制H2”的原理和效果時，利用模型進行了結構化的分析，部分學生還利用了分類法、圖示法等方法輔助分析，展示出對物質組成與性質、平衡與變化、速率與限度、促進與競爭等關鍵問題的思維角度與認識深度。

5.2 教學反思

5.2.1 學以致用，創設真實問題情境，激發學生的十項思維要素

知識的功能價值只有在基于真實學習情境的豐富多樣的學科能力活動中才可能轉化為學生自覺主動的、合理的認識方式，形成核心素養［6］，這就需要教師先要深度選材［7］，再開展深度教學。本課例選擇了生產環保情境，引導學生開展去除廢水中氨態氮的研究，激發學生的分類與比較、預測與設計、分析與推理、解釋與歸納、反思與批判等十項思維要素。學生從單純的做題者變為解決實際問題的深度參與者，學習的過程從淺層學習轉向了深度學習。

5.2.2 分層設計，讓不同思維水平的學生都能找到適合自己的“最近發展區”

以本節課為例，對于思維水平較弱的學生，重點引導他們分析陌生方程式的書寫是“有理可循”的，讓學生在理解平衡與化學反應關系的過程中，領悟到平衡對研究化學反應的指導作用；對于思維水平較強的學生，重點引導他們在活動中主動有序地尋找反應原理，調控反應，使陌生反應“有理可控”，使學生感受到知識間豐富的邏輯關系，建立對程序性知識的系統認識［8］。

5.2.3 循序漸進，搭建深度學習效果檢驗平臺，助推學生高階思維的發展

學生核心素養的發展和提升是一個循序漸進的過程，與課堂上教師的助力不同，完成作業是學生獨立解決問題的過程［9］，作業可成為檢驗學生深度學習效果的平臺。以本文中的作業為例，第（5）問難度最大，如果按第（4）問建構起來的思維模型進行預測，預測結果與實驗結果是相反的。這對學生的比較、分析、反思與批判思維要素是一項重要的檢測。在課堂交流中發現：有70%的學生能明確指出需要對比Ni2+和Cu2+的性質，也能羅列出粒子可能涉及的主要性質，體現了“比較”的思維要素；有40%的學生能畫出體系模型，結合題意大膽進行正向預測與逆向推理，指明了復雜變化中的競爭關系，體現了“分析、推理、反思、批判”等思維要素。通過學生對作業的深度思考以及教師對作業中思維要素的深度點評，助推了學生高階思維的發展。

參考文獻：

［1］［3］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 1， 71.

［2］畢華林， 萬延嵐. 化學的魅力與化學教育的挑戰［J］. 化學教學， 2015， （5）： 3～7.

［4］胡久華， 羅濱， 陳穎. 指向“深度學習”的化學教學實踐改進［J］. 課程·教材·教法， 2017， 37（3）： 90～96.

［5］吳永軍. 關于深度學習的再認識［J］. 課程·教材·教法， 2019， 39（2）： 51～58.

［6］王磊， 魏銳. 學科核心素養發展導向的高中化學課程內容和學業要求——《普通高中化學課程標準（2017年版）》解讀［J］. 化學教育， 2018， 39（9）： 48～53.

［7］沈劍. 促進高階思維發展的深度學習課堂教學——以“催化劑參與反應歷程”為例［J］. 化學教學， 2023， 45（7）： 57～61.

［8］申燕等. 高考化學信息型方程式復習備考策略研究［J］. 化學教學， 2019， （5）： 22～27.

［9］王紅軒. 促進“科學探究與創新意識”素養發展的高三復習課——探究亞硫酸鈉溶液pH的變化及應用［J］. 化學教育， 2023， 44（13）： 49～55.

*北京市教育學會學習科學專業委員會課題“基于深度學習的高中化學單元整體教學設計實踐研究”（課題編號：xxkxkt2023dc011）階段性研究成果。